1  

 Nouvelles possibilités offertes par la technique FMC/TFM embarqué dans un 

équipement multiéléments portable pour l’aide à la caractérisation des défauts de soudures 

  

 Daniel CHAUVEAU(*) ; Florent ANGELINI ; Aldernest BEMBA (*) ; Weina KE (**) 

Olivier ROY (***) ; Delphine LANDOIS (***);  Grégoire BENOIST (***)  

(*) Institut de Soudure Industrie     (**) Institut de Soudure      (***) M2M   Résumé 

 Les  techniques d’imagerie ultrasonores  traditionnellement utilisées en contrôle ultrasonore multiéléments 

ne donnent qu’une représentation souvent lointaine de celle du défaut physique.  L’implantation  de  techniques  d’acquisition  dite  FMC  (Full  Matrix  Capture)  et  l’emploi  d’algorithmes  de 

reconstruction  TFM  (Total  Focusing  Method)  dans  les  équipements  de  dernière  génération  autorisant  une reconstruction en temps réel, permet de faciliter les opérations de caractérisation des défauts de soudure. 

 Après un rappel des principes d’acquisition et de reconstruction exploités, cette présentation se propose de 

comparer  les  résultats  obtenus  sur  une  collection  de   défauts  de  soudures  lors  d’acquisitions  phased  array conventionnelle de type S‐scan focalisée et FMC/TFM.  

 Les avantages /inconvénients des deux types de reconstructions seront également discutés.   

Abstract  The  conventional  imaging  techniques used  in ultrasonic phased array can only provide quite approximate 

representations, often still far from the real defect appearances.  In  the  latest phased  array  equipment,  the  implementation of  acquisition process  called  FMC  (Full Matrix 

Capture)  associated  with  reconstruction  algorithms  TFM  (Total  Focusing  Method),  allowing  real‐time reconstruction techniques, facilitates operations for characterizing weld defects.  

 After  recalling  the principles of acquisition and  reconstruction exploited,  this paper  compares  the phased 

array results on a collection of weld defects obtained by means of conventional S‐Scan acquisitions,  improved focalized S‐scan and FMC / TFM.   

 The advantages / disadvantages of both types of reconstructions will also be discussed. 

    

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2  

1. INTRODUCTION 

Le contrôle des soudures par technique ultrasonore multiéléments est de plus en plus utilisé industriellement. La mise en œuvre de ce contrôle est à la fois plus simple et plus complexe. Plus simple : un seul traducteur est nécessaire et son déplacement est plus rapide. Plus complexe :  les  conditions de couplage peuvent être plus exigeantes,  le paramétrage de  l’équipement et l’interprétation des images requiert des opérateurs aguerris. En effet les images générées peuvent rapidement se  complexifiées  notamment  lorsque  des  échos  de  géométrie  sont  présents  et  parce  qu’il  est  possible d’enregistrer un plus grand nombre d’interactions avec le défaut.   C’est pourquoi,  il est tout particulièrement  intéressant pour  le contrôle des soudures d’exploiter  les dernières avancées en terme de méthode de reconstruction basées sur un principe de focalisation dit synthétique de type Full Matrix Capture  (FMC)  associé  à des  algorithmes d'inversion  (comme par exemple  TFM – Total  Focusing Method  [1]  ) assorties de  représentations graphiques qui  facilitent  l'interprétation par  rapport aux  imageries conventionnelles afin de faciliter l’analyse et de permettre à un non expert de porter un diagnostic fiable. 

2. MODE DE RECONSTRUCTION CONVENTIONNEL UTILISE EN IMAGERIE ULTRASONORE 

La figure suivante (figure 1) présente une série d’images type obtenues sur des défauts artificiels réalisées dans un bloc de 100 mm d’épaisseur. Ces  images ont été  réalisées en 1993 par  l’Institut de Soudure à  l’aide d’un système d’imagerie développé par l’IS appelé Polyscan Orbital [1] qui exploitait le mode de représentation du P‐Scan danois très en vogue à l’époque. Le contrôle reposait sur des traducteurs mono éléments conventionnels d’ondes    transversales  type WB. L’objectif de cette étude était alors de caractériser des  fissures de  type SCC dans des soudures d’appareils à pression de forte épaisseur.  Les  images des modes d’interactions  faisceau  /défaut étaient peu ou pas  vulgarisées.  Les premiers  résultats obtenus sur des défauts artificiels, reproduites ci‐après, nous avaient amené à remettre en cause  l’algorithme de reconstruction que nous avions implanté dans le système d’imagerie. En effet nous nous attendions à ce que l’image d’un défaut perpendiculaire à la paroi le soit aussi.  

           Fig 1 

Figure 1 : a)  Entaille hauteur 30 mm  b) Trous adjacents sur hauteur 20 mm 

 En effet,  le  logiciel comme  la plupart de ceux utilisés aujourd’hui aussi bien avec  les mono éléments que  les multiéléments positionne  le pixel  représentatif de  l’indication  suivant un angle prédéterminé. Cette position n’est juste géométriquement parlant dans l’exemple ci‐dessous (figure 2) que pour le pied de l'entaille (position 1). Sur un défaut lisse, aucun écho n'est généré (en réflexion dans le même mode) par la face de l'entaille et ce que  l'on  pourrait  en  1  ère  approche  considérer  comme  étant  le  haut  du  défaut  est  en  fait  l'interaction  de l'extrémité de la frange basse avec le pied de l'entaille (position 2). Pour cette position, le système mesure le parcours S2 et positionne le point correspondant en B'2 et non en B2. Lorsque le traducteur occupe la position symétrique une image symétrique est aussi produite ce qui génère le V bicolore caractéristique de ce type d’imagerie (la couleur indique ici le traducteur qui a détecté le défaut et non l’amplitude du signal). Le même raisonnement s’applique à  la représentation   des phénomènes de diffraction lorsqu’ils sont détectables. Dans ce cas, un second V bicolore est observable au‐dessus du premier. 

3  

 En  revanche  sur  un  défaut  rugueux  (représenté  ici  par  une  série  de  trous  adjacents),  la  représentation    se rapproche de  celle du défaut physique.  En  effet, dans  ce  cas, on peut  trouver une petite  facette du défaut convenablement orienté par  rapport au  faisceau qui générera un écho d’amplitude  suffisante à un parcours ultrasonore correspondant à la bonne position. 

 

  

Figure 2  Figure 2: Positionnement du pixel en mode d’imagerie conventionnelle 

3. RAPPELS DES PHENOMENES D’INTERACTIONS FAISCEAUX/DEFAUTS 

L’interaction d’une onde ultrasonore avec un défaut est complexe. A titre d’exemple, nous allons expliciter  le cas de l’interaction d’un défaut perpendiculaire à la surface opposée sur laquelle est déplacé le traducteur.  Dès 1975 Baborovsky (figure 3) propose de traiter numériquement chaque point de la surface « insonifiée » du défaut  comme  une  source  ponctuelle  secondaire  obéissant  au  principe  d'HUYGENS.  L'amplitude  du  signal renvoyé par la discontinuité est calculée en un point P en effectuant la somme vectorielle des ondes issues des sources  secondaires.  Le  modèle  prend  en  compte  pour  chaque  source  secondaire  plus  de  18  contributions résultant des phénomènes de réflexion multiple et de conversion de mode.  Le nombre de contributions pour une onde transversale incidente (S sur la figure 3 b) est déterminé de la façon suivante :  a)  Il  existe  trois possibilités pour qu'une onde  incidente  atteigne un point  du défaut pour  créer une  source secondaire : 

X directement, X après une réflexion sur le fond sans conversion de mode (en onde longitudinale – P sur la figure), X après une réflexion sur le fond avec conversion de mode. 

 

 

 

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5  

4.  TECHNIQUES DE RECONSTRUCTION UTILISEE 

4.1 PRINCIPE DES TECHNIQUES DE RECONSTRUCTION PAR SYNTHESE D’OUVERTURE La  plupart  des  systèmes  d’imagerie  multi  éléments  exploités  aujourd’hui  représente  l’image  des  défauts détectés  selon  les  principes  exposés  au  §  2  et  à  partir  d’une  loi  focale  prédéterminée  par  rapport  à  une hypothèse  faite  sur  les  caractéristiques du défaut  à détecter et/ou  caractériser et  appliquée  au moment de l’émission.  Le principe de la synthèse d’ouverture permet de s’affranchir de l’application d’une loi focale prédéterminée Les principales étapes communes à ces techniques sont résumées dans la figure suivante. 

 Figure 5 : Principales étapes utilisées par les techniques de synthèse d’ouverture  

 

(a)   (b) 

 ( c ) 

Figure 6 : Illustration des interactions entre un faisceau ultrasonore et une génératrice de trou (b) B scan correspondant  (c) reconstruction du défaut  basé après TFM exploitant les signaux directs L‐L   

 

 

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Tous les co5MHz possé

Pour  chaqureconstruct

systématiqu

ouverture d

5.3.1 contrDans ce paravec le cont

Pour  cette fréquence c

Dans un prhauteur situ

Figure 10 : R

Le résultat la sonde 64de la tête d

Le mode FTpositionnem

Dans un dehauteur situ

Figure 1

Le Bscan anéléments av

ntrôles ont éédant un sab

ue  situationtions FTP diruement  en de 32 élémen

rôle de fentragraphe, l’otrôle soudur

étude,  noucentrale 5MH

remier  temp

uée en racin

Résultats Ba

du balayage4 éléments (ae l’entaille.  

TP permet lument et l’orie

euxième temuée en racin

11 : Résultat

ngulaire présvec une foca

été réalisés bot OT55°. 

n  sont  comp

rect  (TT) et émission  –nts proposée

tes électroéobjectif est dre en mode F

us  avons  réaHz possédan

ps, nous avoe de soudure

alayage angu

 angulaire pavec une foc

i aussi de déentation du 

mps, nous ave de soudure

ts Balayage a

senté ci‐dessalisation à 20

avec une so

parés  les  réindirect  (TTT–réception  ce dans la maj

érodées e comparer FTP. 

alisé  des  est un sabot O

ns  regardé e. 

ulaire et FTP s

résenté ci‐dealisation à 2

étecter l’entadéfaut sont d

ons regardée. 

angulaire et 

sus a été réa0mm de prof

9 

nde multi‐él

ésultats  obtT).  L’ouvertuce  qui  permjorité des ap

le contrôle s

sais  avec  uOT55°, sur un

les  résultats

sur une enta

essus a été r0mm de pro

aille mais sa directement

é  les résultat

FTP sur une 

alisé avec unfondeur. Sur

léments liné

tenus  avec ure  complète

met  d’avoir ppareils porta

soudure class

ne  sonde  mne soudure e

s obtenus  su

aille de 5mm 

réalisé avec uofondeur). Ce

caractérisat

t lisibles sur l

ts obtenus s

entaille de 2

ne ouverturer cet exemple

aires 64 élém

un  balayagee de  la  sondune  meilleu

ables. 

sique utilisan

multi‐élémen

n V d’épaisse

ur une  fente

de hauteur e

une ouvertue contrôle pe

ion est simp

’image FTP. 

ur une fente

2mm de haut

e de 32 éléme, seul le pie

ments de fré

e  angulaire de  (64 élémure  résoluti

nt 32 élémen

ts  linéaire  6eur 20mm. 

e électro‐éro

en racine de

re de 32 éléermet la dét

plifiée. En eff 

e électro‐éro

teur en racin

ments centréed de l’entail

équence cen

focalisé,  etents) est ution  qu’avec 

nts en ouvert

64  éléments

odée de 5mm

 

 soudure 

ments centrection du pie

fet, la hauteu

odée de 2mm

 e de soudure

é sur  la sondlle est détect

ntrale 

t  les ilisée une 

ture 

s,  de 

m de 

é sur ed et 

ur, le 

m de 

e  

de 64 table 

 avec  le  bacaractérisée

Dans  cet  excaractérisat

l’imagerie F

5.3.2 DéfauDans ce cas,de soudure, 

Le Bscan ande l’écho dde l’entaille

Figur

alayage  angue : la dimens

xemple,  les tion  du  défFTP.  

ut présent d, l’objectif estelle qu’illus

F

ngulaire  (foce coin à la be (illustré en 

re 14 : Résult

ulaire.  En  usion de 2mm

deux  contrôfaut  car  le 

dans la zonest de détectestré ci‐desso

Figure 12 : Pr

Figur

c T45° à T75base de l’entpointillé). 

tats des mod

utilisant  le  c est respecté

ôles  permett

positionnem

e de liaisoner une entailus (Réf pièce

rofil de la so

re 13 : Bscan

5° et prof 25 aille, et plus

des FTP en tra

10 

contrôle  FTée. 

tent  la  détement  et  l’or

n d’une soule verticale àe : B1.1 ). 

udure en V d

n angulaire fo

à 50mm, gas faiblement

ajets directs 

P,  toute  la 

ection  de  l’eientation  de

dure à travers la s

de la pièce B1

ocalisé de la 

ain 42.1dB) pd’un écho d

TT et en traj

hauteur  de

ntaille.  Le me  celui‐ci  so

oudure, le d

1.1 contrôlée

 

pièce B1.1  

présenté ci‐dde diffraction

jets indirects

e  l’entaille 

mode  FTP  faont  directem

défaut étant 

e. 

dessus permn correspond

s TTT pour la 

est  détecté

acilite  en  plument  lisibles

initié en bor

 

et une détecdant à la hau

 

pièce B1.1

ée  et 

us,  la s  sur 

rdure 

ction uteur 

 

 

Les  images les  échos  oinclusions. 

Le mode TTattendue audéfaut. Ces 

5.3.3 DéfaL’objectif essoudure, te

L’image Bscpossibles éc

FTP en mod

observés  en 

TT dessine l’eu bord de la  caractéristiq

ut présent st la détectioelle qu’illustr

F

can angulairchos de diffr

de TT et mod

balayage  a

entaille sur tosoudure. La ques géomét

dans la zonon d’une enté ci‐dessous

Figure 15 : Pr

Figur

e  (foc T45° raction dont 

 

de TTT (gainngulaire,  pe

oute sa hautreprésentat

triques ne pe

ne fondue dtaille vertical(Réf pièce : 

rofil de la so

re 16 : Bscan

à T75° et prun proche d

11 

 40dB) comp

ermettant  d’

teur, la dime

ion obtenueeuvent être 

d’une soudule au milieu B2.1 ). 

udure en V d

n angulaire fo

rof 25 à 40me la hauteur

plètent  les pavancer  l’hy

nsion de 5me montre la gdéduites uni

ure de la soudur

de la pièce B2

ocalisé de la 

mm, gain 37r d’entaille at

premiers résuypothèse  d’u

mm est respecéométrie plaiquement d’u

re, le défaut 

2.1 contrôlée

 

pièce B2.1 

.9dB) présenttendue.  

ultats. Le mo

une  entaille 

ctée, et à la ane et l’orienun balayage 

étant initié 

e. 

nte un écho

ode TT reproou  de  plus

position ntation du angulaire. 

dans la racin

 

de coin et 

oduit ieurs 

ne de 

deux 

  

 

 Figur

L’image FTPlocalisation

Le mode TT

5.3.4 Man

L’objectif esdessous (Ré

re 17 : Résult

P en mode T du haut de 

TT confirme l

que de pénst la détectioéf pièce : B15

F

tats des mod

TT  (gain 40dl’entaille. 

e caractère 

nétration on d’un man

5 ). 

Figure 18 : P

Figur

des FTP en tra

dB)  reproduit

plan du défa

nque de péné

Profil de la so

re 19 : Bscan

12 

ajets directs 

t  les échos 

aut ainsi que 

étration de s

oudure en V d

n angulaire fo

TT et en traj

observés en

sa position, 

soudure de f

de la pièce B

focalisé de la 

jets indirects

 balayage an

sa hauteur e

faible hauteu

15 contrôlée

 

pièce B15 

s TTT pour la 

ngulaire, ave

et son orient

ur (2 mm), te

 

e. 

pièce B2.1

ec une meill

tation. 

elle qu’illustr

leure 

ré ci‐

 

 

L’image  Bscbordure  dedimensionn

Figur

L’image FTPpossible à 2

L’image  ensoudure. 

Dans l’ensecombinés à

can  angulaire  soudure, nement.  

re 20 : Résult

P en mode T2 mm. 

  mode  TTT 

emble des ca la géométri

re  (foc  T45° mais  aucun

tats des mod

TT  (gain 40d

dessine  dir

s, les images

e CAO. 

 

à  T75°  et  pn  écho  de  d

des FTP en tr

dB) montre é

ectement  u

s FTP complè

13 

prof  25  à  40diffraction  p

rajets directs 

également u

n  défaut  pla

ète et simpli

0mm,  gain  4permettant 

TT et en traj

un écho  sur 

an  de  haute

ifie l’analyse

42.1dB) mon

une  hypoth

jets indirects

le  fond et u

eur  2  mm  à

grâce à des 

ntre  un  échohèse  de  déf

s TTT pour la

un  faible éch

à  la  position

 images réal

o  sur  le  fonfaut  plan  e

 

a pièce B15 

ho de diffrac

n  du  manqu

istes des déf

d  en et  de 

ction 

e  de 

fauts 

14  

 

CONCLUSIONS Depuis  plusieurs  années,  de  nombreuses  publications  scientifiques  et  essais  de  laboratoire  ont  présentés l’intérêt et  les avantages de  la méthode de  reconstruction FTP  (Focalisation Toute Profondeur) : Focalisation optimisée,  caractérisation  de  défauts,  amélioration  du  dimensionnement.  Les  essais  et  les  acquisitions présentées  dans  ce  papier  confortent  cette  approche :  de  plus,  l’image  est  réalisée  en  temps  réel  sur  un appareil multiéléments portable, ce qui va permettre dorénavant d’utiliser cette méthode d’imagerie pour des applications  industrielles.  Les  choix  effectués  pour  la  reconstruction  semblent  pertinents.  Il  est  indéniable qu’une  aide  est  apportée  à  l’opérateur  pour  interpréter  les  images  sur  des  défauts  de  soudure.  En  effet,  il devient possible de représenter l’image  d’un défaut d’une manière très réaliste et de s’affranchir de nombreux échos de géométrie. Toutefois, un opérateur peu qualifié peut encore s’interroger sur le choix de l’interaction à utiliser pour assurer la bonne reconstruction. Il serait donc judicieux de prévoir dans les futurs développements une  possibilité  de  « sélection  intelligente »  des  interactions/reconstruction  en  fonction  des  situations susceptibles d’être rencontrées.  A cette fin, des études numériques pourraient contribuer à cette évolution. 

REFERENCES 

[1]  The post‐processing of ultrasonic array data using the total focusing method –  Insight Vol 46 No 11 November 2004 ‐  C Holmes, B Drinkwater and P Wilcox 

[2]  The response of ultrasound to defects ‐ Ultrasonics international Conference 1975 – pages 46 to 53 V.Baborovsky,  E.Slater,  D.Marsch 

[3]  Evaluation des défauts et de leur  nocivité – Phase 2 – Tome 2FC – Projet associatif Institut de Soudure  [4]  Ultrasonic Phased Array for Characterisation of Thermal Fatigue Cracks on thermal power plants   IIW General Assembly Denver 2012 – Doc V‐ 1529‐12   D.Roué 1,  J.Delemontez 2,  E.Abittan 1,  F.Angelini 1,  D.Chauveau  1     1 Institut de Soudure Industrie – 2 EDF, Division Technique Générale 

[5]  Workshop Introduction on ultrasonic synthetic focusing techniques ‐ I IW 66th  General Assembly ESSEN 2013 – D. Chauveau ; W.Ke 

[6]  Reconstruction Ultrasonore et nouvelle imagerie de défaut – Journées Cofrend 2011, Dunkerque. S.Paillard, E. Iakovleva, S. Chatillon, P.Calmon – CEA/LIST.